Filmsieden

Filmsieden ist eine Form der Verdampfung von Flüssigkeiten bei sehr hohen Wärmestromdichten. Es bildet sich auf der Heizfläche ein durchgehender Dampffilm, der im Gegensatz zur gut durchmischten Flüssigkeit beim Blasensieden eine hohe wärmeisolierende Wirkung hat. Der Wärmeübergangskoeffizient liegt beim Filmsieden deutlich niedriger als beim Blasensieden, da beim Filmsieden der Wärmetransport durch die Wärmestrahlung dominiert wird. Dies hat zur Folge, dass bei gleichbleibender Wärmestromdichte auch die Wandtemperatur deutlich ansteigt und bei einer dem System aufgeprägten Wärmestromdichte zur Zerstörung der Heizflächen führen kann. Ist die Heizfläche nur teilweise von einem Dampffilm bedeckt, spricht man von partiellem Filmsieden, bei vollständiger Benetzung der Heizfläche mit einem Dampffilm von vollständigem Filmsieden.

Filmsieden im stabilen oder sogar instabilen Bereich ist zulässig, wenn die Temperatur der Wärmequelle sich unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur bewegt oder wenn der Wärmeübergangskoeffizient beim Filmsieden der kontrollierende Widerstand für den Wärmestrom ist.

In technischen Anwendungen muss daher darauf geachtet werden, dass die Wärmestromdichten deutlich unter dem Umschlagpunkt vom Blasen- zum Filmsieden liegen. Die kritische Wärmestromdichte ist abhängig vom Sättigungsdruck des Dampfes und der Oberflächenstruktur der Heizfläche. Sie liegt bei atmosphärischem Druck für die Medienpaarung Wasserdampf / Stahl bei >1000 kW/m². Dampfkessel werden daher so ausgelegt, dass eine Wärmestromdichte von 300 kW/m² nicht überschritten wird, um vor allem bei kompakter Kesselbauweise mit dichter Siederohranordnung das Einsetzen von Filmsieden zu vermeiden. Der Übergang zum Filmsieden wird durch Öle oder einen hohen Salzgehalt im Kesselwasser herabgesetzt.

Anschaulich ist das Filmsieden durch das Verhalten eines Wassertropfens auf einer heißen Herdplatte nachvollziehbar (siehe Leidenfrost-Effekt). Unter dem Tropfen bildet sich ein Dampffilm, auf dem der Tropfen sich über die Platte bewegt. Der Wassertropfen verdampft sehr langsam aufgrund des schlechten Wärmeübergangs.

Bei wassergekühlten Atomreaktoren ist es ein kritisches Phänomen. Überschreitet die Wärmestromdichte an der Brennstaboberfläche, z. B. durch einen störfallbedingten Anstieg der Reaktorleistung, einen bestimmten Wert, die sogenannte kritische Wärmestromdichte oder kritische Heizflächenbelastung, so geht das Blasensieden nahezu schlagartig in stabiles Filmsieden über. An der Staboberfläche bildet sich dabei ein zusammenhängender Dampffilm aus, der den Wärmeübergang drastisch verschlechtert. Die Oberflächentemperatur steigt sprunghaft an und erreicht Werte, die über dem Schmelzpunkt des Hüllrohrwerkstoffes liegen können. Hierfür hat sich aus dem Englischen der Ausdruck Burn Out eingebürgert, da die Brennstoffhülle an der betroffenen Stelle durchbrennt oder aufschmilzt.